Ｖ．口．Ｉ．３６ Ｎｏ．１ ＤＯＩ：１０．１９２８９￣．１００４—２２７ｘ．２０１７．０１．００５ ＣｒＮ／ＤＬＣ复合薄膜的制备及其摩擦学性能研究 李福球木，林松盛，林凯生，陈焕涛 （广东省新材料研究所，现代材料表面工程技术国家工程实验室， 广东省现代表面工程技术重点实验室，广东广州５１０６５０） 摘要：采用阴极电弧离子镀技术沉积了厚度为１６／ａｍ左右的ＣｒＮ膜层，然后在其上以阴极电弧＋磁控溅射＋阳极层离子源复合技术 沉积了厚度约３ ｕｍ的类金刚石（ＤＬＣ）膜层，分别用扫描电镜、显微硬度计、划痕仪、摩擦磨损试验仪分析和测试了ＣｒＮ、ＤＬＣ、 ｃｒＮ／ＤＬｃ等３种膜层的表面和截面形貌，厚度，显微硬度，结合力以及耐磨损性能。结果表明，采用上述方法制备的ＣｒＮ／ＤＬＣ 复合膜具有良好的综合性能，膜层界面明晰、结构致密，膜基结合力大于６Ｏ Ｎ，显微硬度达到２ ２００～２ ６００ ＨＶ，磨损率为 １．８×１０ ６１Ｔ１ ／（Ｎ・１ＴＩ１，耐磨损性能优于ＣｒＮ和ＤＬＣ单层膜。 关键词：氮化铬；类金刚石；复合薄膜；阴极电弧离子镀；磁控溅射；阳极层离子源；摩擦学 中图分类号：ＴＧ１７４．２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００４—２２７Ｘ（２０１７）０１—００２５—０６ Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ ＣｒＮ／ＤＬＣ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ａｎｄ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｉｔｓ ｔｒｉｂｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｙ／／ＬＩ Ｆｕ—ｑｉｕ 。ＬＩＮ Ｓｏｎｇ．ｓｈｅｎｇ．ＬＩＮ Ｋａｉ．ｓｈｅｎｇ．ＣＨＥＮ Ｈｕａｎ．ｔａｏ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ＣｒＮ／ＤＬＣ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｉｌｆｍ ｗｉｔｈ ａ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｌ ９ ｇｍ ｗａｓ ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ ｂｙ ｃａｔｈｏｄｉｃ ａｒｃ ｉｏｎ ｐｌａｔｉｎｇ．ｏｎ ｗｈｉｃｈ ａ ｃａ．３儿ｍ—ｔｈｉｃｋ ｄｉａｍｏｎｄ・ｌｉｋｅ ｃａｒｂｏｎ（ＤＬＣ）ｆｉｌｍ ｗａｓ ｔｈｅｎ ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ ｂｙ ａ ｍｅｔｈｏｄ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｃａｔｈｏｄｉｃ ａｒｃ ｉｏｎ ｐｌａｔｉｎｇ， ｍａｇｎｅｔｒｏｎ ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ ａｎｄ ａｎｏｄｅ ｌａｙｅｒ ｉｏｎ ｓｏｕｒｃｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．Ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ａｎｄ ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｅｓ，ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ， ｍｉｃｒｏｈａｒｄｎｅｓｓ．ａｄｈｅｓｉｏｎ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｗｅａｒ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ＣｒＮ．ＤＬＣ ａｎｄ ＣｒＮ／ＤＬＣ ｆｉｌｍｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｔｅｓｔｅｄ ｂｙ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ．ｍｉｃｒｏｈａｒｄｎｅｓｓ ｔｅｓｔｅｒ．ｓｃｒａｔｃｈ ｔｅｓｔｅｒ ａｎｄ ｔｒｉｂｏｍｅｔｅｒ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ Ｃ ＬＣ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｆｉｌｍ ｈａｓ ａ ｃｏｍｐａｃｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｉｔｈ ａ ｃｌｅａｒ ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ａｎｄ ｅｘｈｉｂｉｔｓ ｇｏｏｄ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｓ ｓｈｏｗｎｂｙａｄｈｅｓｉｏｎ ｓｔｒｅｎｇｔｈ＞６０Ｎ．ｍｉｃｒｏｈａｒｄｎｅｓｓ２２００—２６００ＨＶ ａｎｄｗｅａｒ ｒａｔｅ １．８×１０＿１ ｍ３／ｆＮ－ｍ ．Ｔｈｅｗｅａｒ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆ Ｃ ／ＤＬＣ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｆｉｌｍ ｉＳ ｓｕｐｅｒｉｏｒ ｔｏ ｔｈａｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｎｇｌｅ ＣｒＮ ｏｒ ＤＬＣ ｆｉｌｍ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｈｒｏｍｉｕｍ ｎｉｔｒｉｄｅ；ｄｉａｍｏｎｄ—ｌｉｋｅ ｃａｒｂｏｎ；ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ；ｃａｔｈｏｄｉｃ ａｒＣ ｉｏｎ ｐｌａｔｉｎｇ；ｍａｇｎｅｔｒｏｎ ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ； ａｎｏｄｅ ｌａｙｅｒ ｉｏｎ ｓｏｕｒｃｅ；ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ Ｆｉｒｓｔ．ａｕｔｈｏｒ’Ｓ ａｄｄｒｅｓｓ：Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＮｅｗ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｎａｔｉｏｎａ１ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｆｏｒ Ｍｏｄｅｍ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｋｅｙ Ｌａｂ ｏｆＧｕａｎｇｄｏｎｇ ｆｏｒ Ｍｏｄｅｍ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５ １０６５ １， Ｃｈｉｎａ 活塞环是汽车、摩托车发动机中十分重要的零部件，具有密封、传热、润滑等作用，同时它的工作条件 又是发动机所有配合副中最为苛刻的，如存在高温、高压，以及运动方向、运动速率和润滑油黏度都在 高速变化【¨。活塞环表面的磨损、刮伤、腐蚀会导致发动机油耗增加，马力下降，噪音增大，甚至寿命 缩短。因此，对活塞环表面进行处理，增加表面硬度，提高其抗磨损性能具有十分重要的意义。目前， 活塞环的表面处理手段主要有磷化、电镀铬、氮化、物理气相沉积（ＰＶＤ）、热喷涂钼涂层、等离子喷涂 陶瓷涂层等［ 。］。随着环保要求的不断提高以及发动机小型化的需求对活塞环的性能要求不断提高， ＰＶＤ（尤其是氮化＋ＰＶＤ）技术得到越来越多的重视与应用［４】。 近年来，国内外越来越多的活塞环厂家采用ＰＶＤ技术在活塞环上沉积二元或多元氮化物硬质膜层， 以提高耐磨、耐蚀性能。目前，市场上比较常见的ＰＶＤ涂层有ＴｉＮ、ＣｒＮ等。ＴｉＮ与ＣｒＮ涂层具有很好的 耐磨损性能。ＴｉＮ涂层厚度不能太大，一般在５ ｇｍ以下，太厚会使涂层残余应力增大，不利于使用。ＴｉＮ 具有优良的抗拉缸性能，在氮化环上采用ＰＶＤ方法沉积一层厚度２～３ ｇｍ的ＴｉＮ膜对改善初期磨合有 很大好处。与ＴｉＮ涂层不同，ＣｒＮ可沉积厚膜，膜层厚度可达５０ ｇｍ，要求高耐磨、高熔着磨损性能的 收稿日期：２０１６－０９－２６ 修回日期：２Ｏ１６＿＿１２．－ｏ７ 基金项目：省院平台建设项目（２０１６ＧＤＡＳＰＴ．０２０６，２０１６ＧＤＡＳＰＴ一０３１７）。 作者简介：李福球（１９８３一），男，硕士，主要从事硬质涂层研究。 作者联系方式：（Ｅ－ｍａｉｌ）ｓｔｅｖｅｌｅｅｅ＠１６３．ｃｏｍ。 ・ ２ ・ ＣｒＮ／ＤＬＣ复合薄膜的制备及其摩擦学性能研究 发动机活塞环可采用厚ＣｒＮ涂层。日本理研活塞环公司生产的ＩＰ一２００系ＣｒＮ涂层，在汽油机、柴油机 上的装机试验，不论气环、油环的耐磨性，还是抗拉缸性，均优于镀铬和氮化环［ 。清华大学的赵晚成 采用ＰＶＤ方法在不锈钢渗氮活塞环基体上沉积了厚约３０ ｇｍ的ＣｒＮ涂层，并在ＳＲＶ试验机上对比了 具有和没有ＣｒＮ涂层的不锈钢渗氮活塞环的摩擦学性能。试验结果表明，ＣｒＮ涂层能使摩擦因数较快地 稳定，且数值较低，同时活塞环及其对磨缸套的磨损量也大大降低，对磨缸套的磨损量减少了８０％以上［６】。 广东省新材料研究所与国内的一些活塞环厂家开展合作，在活塞环表面采用ＰＶＤ技术沉积ＴｉＮ、ＴｉＡ１Ｎ、 ＣｒＮ、ＤＬＣ涂层，并成功实现了量产。与ＣｒＮ等硬质涂层相比，ＤＬＣ涂层具有高硬度、低摩擦因数以及 良好自润滑性，但是单纯的ＤＬＣ涂层因为自身应力大等原因不能沉积太厚（一般３～５ ｇｍ），了其 耐磨损性能。针对复杂工况，德国ＧＯＥＴＺＥ、ＭＡＨＬＥ等活塞环公司开发出了在氮化钢环上沉积ＣｒＮ涂层， 然后沉积ＤＬＣ涂层等多层复合技术。目前国内关于ＣｒＮ／ＤＬＣ复合膜层在活塞环上的应用鲜见报道。 桎文采用真空阴极电弧沉积技术制备了ＣｒＮ膜层，采用阴极电弧＋磁控溅射邯日极层离子源复合技术 在ＣｒＮ膜层上沉积ＤＬＣ膜层，并研究了ＣｒＮ、ＤＬＣ以及ＣｒＮ／ＤＬＣ三种膜层的摩擦磨损性能。 １实验 １．１ 样品制备 所用到的样品有：Ｃｒｌ２ＭｏＶ模具钢，直径４０ ｍｍ，高８ ｍｍ，在模具钢上沉积的样品用作表面粗糙度 以及摩擦磨损性能测试；ＹＧ６硬质合金，尺寸为１０ ｒｎＩｎ ｘ １０ ｍｍｘ ４ ｍｍ，用作显微硬度以及结合力测试； ＣＧ１５０氮化钢环用作金相分析。上述试样均经过抛光处理，入炉之前超声清洗干净。 ＣｒＮ膜层的制备采用阴极电弧技术，选用的设备为ＡＳ７００ＤＴＸ型自动控制多弧离子镀膜机。该设备 配有ｌ２个阴极弧源，靶材直径１００ ｍｍ、高４０ ｍｍ，Ｃｒ靶纯度为９９．５％。为了提高膜层与基体之间的 结合强度，在薄膜沉积前用８００ Ｖ负偏压进行Ａｒ离子轰击清洗，时间３５ ｍｉｎ。然后开启Ｃｒ靶，进行金属 离子轰击清洗。随后逐步降低偏压，沉积金属Ｃｒ作为过渡层。通过缓慢调节Ｎｚ流量和引弧Ｃｒ靶，反应 沉积ＣｒＮ膜层。ＣｒＮ膜层主要的沉积参数为：沉积温度４００～４５０。Ｃ，偏压－２００～－１００ Ｖ，Ｎ２压强０．５～ １．０Ｐａ，靶电流８０～１００Ａ，时间６４０ｍｉｎ。 ＤＬＣ膜层采用阴极电弧＋磁控溅射邯日极层离子源复合技术制备，所用设备为ＡＳ６００ＤＴＸ型多功能 离子镀膜机，其结构示意如图１所示。该设备配有：４个尺寸为７２０ ｍｍ×１２０ ｍｍ的非平衡磁控溅射靶， 其中两个靶分别装上Ｃｒ和ｗ靶；２个长度为７２０ ｍｍ的阳极层气体离子源（Ｇａｓ Ｉｏｎ Ｓｏｕｒｃｅ，ＧＩＳ）；３个 阴极弧源，装上直径ｌ００ ｍｍ、高４０ ｍｍ的Ｃｒ靶。试验用的气体为９９．９９％的高纯乙炔以及９９．９９９％的 高纯氩气和氮气，磁控Ｃｒ靶和Ｗ靶的纯度为９９．９５％。入炉前准备两组样品，一组为已抛光的金属基体， 一组为己沉积ＣｒＮ膜层的样品。样品入炉前均经过超声清洗干净，样品入炉后，本底真空抽至５×１０～Ｐａ， 用７００ Ｖ负偏压进行 离子轰击清洗，然后开启电弧Ｃｒ靶，进行金属离子轰击清洗，以获得新鲜的样品 表面。在沉积ＤＬＣ膜层前，开启磁控ｃｒ靶、阳极层气体离子源，缓慢通入Ａｒ、Ｎ２以及Ｃ２Ｈ２，沉积 １ ｆ ｆ ｆ ｆ 图１设备示意图 Ｆｉｇｕｒｅ １ Ｓｅｈｅｍａｔｉｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ａｐｐａｒａｔｕｓ ＣｒＮ／ＤＬＣ复合薄膜的制备及其摩擦学性能研究 ：／ＣｒＮ／ＣｒＣＮ梯度过渡层，再开启磁控ｗ靶，沉积ｗ掺杂ＤＬＣ，主要沉积参数为：炉内压强０＿３～０．６ Ｐａ， 度２００～２５０ ｏＣ，时间３００ ｒａｉｎ。ＤＬＣ膜层的制备原理以及膜层结构详见文献 】。 ２ 测试方法 采用ＪＥＯＬ ＪＳＭ一５９ｌ０型扫描电镜观察膜层表面形貌与截面形貌以及磨损后的膜层形貌。采用 Ｒ一２００ 手持式粗糙度仪测试膜层的表面粗糙度。采用ＭＤ一５型维氏硬度计测量膜层的显微硬度，载荷 ）ｇ，保载时问ｌ ５ Ｓ，每一个压痕测量３次，取其平均值，每个试样测量ｌ０次。以ＨＨ一３０００薄膜结合 度划痕试验仪测试膜／基结合强度，采用最大载荷ｌ００ Ｎ，加载速率１００ Ｎ／ｍｉｎ，划痕速率５ ｍｍ／ｍｉｎ。 在ＣＥＴＲ ＵＭＴ一３型多功能试验机ｌ二进行摩擦磨损试验，由于其高硬度和良好的化学稳定性等优点， 偶件采用ｓｉ３Ｎ４陶瓷球，其直径为４ ｍｍ。在无润滑条件下，采用球一盘摩擦方式，法向载荷１０ Ｎ，摩擦 径ｌ ０ ＩＴＩｌ１］，试样旋转速率为３８２ ｒｐｍ，磨损时间７２０ ａｉｒｎ，温度２５。Ｃ，相对湿度６０％～７０％。采用 鲁克Ｄｅｋｔａｋ．ｘＴ台阶仪（探针式表面轮廓仪）测量磨痕轮廓，利用公式Ｋ＝ （ＦＳ）计算薄膜磨损率， ：中 为磨损率［ｍ ／（Ｎ・ｍ）］，Ｖ为磨损体积（ｍ ），Ｓ为滑动总距离（ｍ），Ｆ为试验载荷（Ｎ）。 结果与讨论 ｌ 表面粗糙度 在本实验中，Ｃｒｌ２ＭｏＶ模具钢基体抛光后的表面粗糙度小于０．１ ｇｍ。在其表而沉积ＤＬＣ膜层后， 面粗糙度为０．１～０．２ ｐｍ，沉积ＣｒＮ膜层后的表面粗糙度为０．２～０．４ ｕｍ，沉积ＣｒＮ／ＤＬＣ复合膜层后的 而粗糙度为０．３～０．５ ｇｍ。可见，抛光后的基体经过镀膜后，表面粗糙度都有不同程度的增加，镀ＤＬＣ ｌ层后粗糙度增加最少，这与膜层的表面特性有关。从图２可以看出，ＤＬＣ膜层光滑细腻，颗粒较少， ｒＮ膜层表面有大小不一的金属颗粒，表面比ＤＬＣ膜层更为粗糙，镀ＣｒＮ／ＤＬＣ复合膜后，＿者具有相互 ！加效应，膜层表面粗糙度最大。 ２ 表面形貌和截面形貌 图２ａ为ＤＬＣ膜层的表面形貌。从中可以看出，ＤＬＣ膜层光滑致密，表面有一些大小不一的颗粒和 】坑等缺陷，尺寸在几百纳米到几微米之间变化。这些缺陷主要是过渡层制备过程中阴极电弧喷射产生的， ：电是样品沉积ＤＬＣ膜层后表面粗糙度略微增加的原因。 从图２ｂ可以看出，ＣｒＮ膜层平整、致密，但与ＤＬＣ膜层相比，明显存在更多颜色较浅、大小不等的 ｛形颗粒，有些大颗粒的尺寸直径达十几微米，这是膜层采用的制备技术决定的，因为ＣｒＮ膜层是采用 Ｉ极电弧技术制备，在膜层沉积过程中不可避免地存在金属大颗粒。另外，由于沉积时间长达６４０ ｍｉｎ， Ｉ弧源喷射出的金属大颗粒有累积效应，这也是膜层表面粗糙度ＮＤＩ：ｉ的主要原因。 图２ｃ是ＣｒＮ／ＤＬＣ复合膜的表面形貌。由于复合膜是在ＣｒＮ膜层上沉积ＤＬＣ膜层，在沉积ＤＬＣ膜层 ｆ，ＣｒＮ膜层表面原来就已经存在许多大颗粒，且未经任何抛光处理，在沉积ＤＬＣ膜层过程中也会产生 世望颗粒，而ＤＬＣ膜层厚度只有３ ｕｍ左右，不足以覆盖原来的颗粒，因此ＣｒＮ／ＤＬＣ复合膜表面的不均匀 粒比前两种膜层更多，表面也更粗糙。 图２不同膜层的表面形虢 Ｆｉｇｕｒｅ ２ Ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｅｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｆｉｌｍｓ ＣｒＮ／ＤＬＣ复合薄膜的制备及其摩擦学性能研究 图３ａ是型号为ＣＧ１５０氮化环的横截面金相照片。从中可以明显看到基体上覆盖有一层完整的渗氮层。 在环的两侧，渗氮层厚度约为１００ ｍ，活塞环外圆面渗氮后抛光，渗氮层剩余厚度为６０～８０ ｍ，为了 提高ＰＶＤ膜层与氮化环基体的结合力，所有氮化环在ＰＶＤ镀膜前必须经过抛光处理，以去除氮化产生的 白亮层。 图３ｂ是在渗氮环上沉积ＤＬＣ膜层后的横截面ＳＥＭ照片。从中可以看出，ＤＬＣ膜层连续、致密， 厚度均匀一致，约为３ ｌａｍ，而且与渗氮层结合良好。 图３ｃ是在渗氮环上沉积ＣｒＮ膜层后的横截面照片。可见ＣｒＮ膜层均匀、连续、致密、完整，厚度 为１６ ｕｍ。 图３ｄ是在渗氮环上沉积ＣｒＮ／ＤＬＣ复合膜层后的横截面照片。从图上可以看出，ＤＬＣ层与ＣｒＮ层 界面清晰，膜层均匀，连续一致，两者之间体现了良好结合，复合膜的总厚度约为１９［ａｍ。 （ｃ）ＵｒＮ （ｄ１ Ｌ ｒＮ ＤＬＬ 图３ ＣＧ １５１１氯化钢环及其沉积不同膜层后的截面形貌 Ｆｉｇｕｒｅ ３ Ｃｒｏｓｓ—ｓｅｃｔｉｏｎａｌ ｎｌｏｌ‘ｐｈｏｈ）ｇｉｅｓ ｏｆＣＧＩ５（Ｉ ｎｉｔｒｉｄｅｄ ｓｌｅｄ ｒｉｍｇ ａｎｄ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ ｆｉｌｍｓ ０１１ ｉｔ ２．３ 显微硬度与结合强度 以ＹＧ６硬质合金为基材，测得ＣｒＮ薄膜的显微硬度在ｌ ８００～２ ２００ Ｉ－ｉＶ之间，ＤＬＣ薄膜的显微硬度 为ｌ ９００～２ ２００ ＨＶ，ＣｒＮ／ＤＬＣ复合膜的显微硬度在２ ２００～２ ６００ ＨＶ之间。可见复合膜的显微硬度高于 单层ＣｒＮ和ＤＬＣ薄膜，可能是由于复合膜层较厚，导致测量值增大。 图４示出了ＣｒＮ／ＤＬＣ复合膜的划痕形貌，而由图５可以看出多层膜与基体的结合良好，结合力约为 ６２ Ｎ。与图５相对应，当压头在样品表面从左到右匀速滑动时，随着施加载荷的增大，划痕逐渐加深， 图４ ＹＧ６硬质合金上ＣｒＮ／ＤＬＣ膜的划痕形貌 Ｆｉｇｕｒｅ ４ Ｓｃｌ ａｒｃｈ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｏｆ ＣｒＮ／ＤＬＣ ｆｉｈｎ ｏｎ ＹＧ６ ｈａ，‘ｄ ａｌｌｏ） ＼ ｎ 诅 ０ １０ ２Ｕ ３Ｕ ４０ ５（Ｉ ６０ ，０ Ｕ ９０ ｌＵＵ 载荷／Ｎ 图５结合强度测试时的声信号曲线 Ｆｉｇｍ’ｅ ５ Ａｃｏｕｓｔｉｃ ｓｉｇｎａｌ ｃｕｒｖｅ ｄｍ。ｉｎｇ ｔｈｅ ｓｃｒａｔｃｈ ａｄｈｅｓｉｏｎ ｔｅｓｔ 当载荷达到一定值时，薄膜开始脱落，露出基体材料，形成亮斑，此时产生声信号，对应的载荷即为 膜层的临界载荷。 ∞ 舯 ∞ ∞ 加 ２．４ 摩擦磨损性能 摩擦磨损试验中ＣｒＮ、ＤＬＣ以及ＣｒＮ／ＤＬＣ三种膜层的厚度分别为１６、３和１９ ｇｍ。图６是３种膜层的 摩擦因数曲线，图７与图８分别为磨痕轮廓图和磨痕表面形貌ＳＥＭ照片。 困 逖 凿 时间／ｓ 图６ ＣｒＮ、ＤＬＣ与ＣｒＮ／ＤＬＣ膜的摩擦因数曲线 Ｆｉｇｍ’ｅ ６ Ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｃｏｅｆｉｃｉｅｎｔｆ ｃｕｒｖｅ ｆｏｒ ＣｒＮ．ＤＬＣ ａｎｄ ＣｒＮ／ＤＬＣ ｆｉｌｍｓ 晷 ＼ 宽度／肿 图７ ＤＩ Ｃ、ＣｒＮ与ＣｒＮ／ＤＬＣ膜的磨痕轮廓 Ｆｉｇｕｒｅ ７ Ｔｒａｃｅ ｐｒｏｆｉｌｅｓ ｏｆ ＤＬＣ，ＣｒＮ ａｎｄ ＣｒＮ／ＤＬＣ ｆｉｌｍｓ ａｆｔｅｒ ａｂｒａｓｉｏｎ （ａ）ＤＬＣ （ｂ）ＣｒＮ 【ｃ）ＣｒＮ！ＤＬＣ 图８ ＤＬＣ、ＣｒＮ与ＣｒＮ／ＤＬＣ膜的磨痕形貌 Ｆｉｇｕｒｅ ８ Ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｅｓ ｏｆ ＤＬＣ．ＣｒＮ ａｎｄ ＣｒＮ／ＤＬＣ ｆｉｌｍｓ ａｌｔｅｒ ａｂｒａｓｉｏｎ ・ ・ ＣｒＮ／ＤＬＣ复合薄膜的制备及其摩擦学性能研究 从图６可以看出，ＤＬＣ膜层的平均摩擦因数最小，为０．１４７，说明ＤＬＣ膜层具有很好的减摩润滑作用。 在摩擦过程的初始阶段，ＤＬＣ膜层的摩擦因数出现峰值，经过一段时间的磨合后，摩擦因数呈下降趋势， 并逐渐趋于稳定，但在２６ ０００ Ｓ附近，摩擦因数开始剧烈波动，随后逐步上升。结合图７可以看出， ＤＬＣ膜层的磨痕深度约３ ｇｍ，接近ＤＬＣ膜层的总厚度，说明从２６ ０００ Ｓ开始，表层的ＤＬＣ膜层已经 开始磨穿，摩擦副逐渐与过渡层、甚至基体对磨，表现为摩擦因数逐渐上升。ＣｒＮ膜层的平均摩擦因数 最大，为０．４７２。在跑合阶段，由于接触表面污染和吸附膜的影响，ＣｒＮ膜层的摩擦因数较低，随着膜层 不断被磨损并进入初期磨损阶段，膜层的摩擦因数表现为不断增大，微凸体的犁沟作用成为摩擦力的 主要来源。随着磨损继续进行，进入摩擦表面的磨粒数和离开表面的磨粒数大致相等，达到动态平衡， 膜层进入稳定磨损阶段｝ｌ０】。ＣｒＮ／ＤＬＣ复合膜层的平均摩擦因数居三者之中，为０．１９８。由于ＤＬＣ膜层的 减摩润滑作用，ＣｒＮ／ＤＬＣ复合膜的摩擦因数要明显低于ＣｒＮ膜层；又由于ＣｒＮ／ＤＬＣ复合膜的表面粗糙度 明显高于ＤＬＣ膜层，因此复合膜的摩擦因数也高于ＤＬＣ膜层。与ＤＬＣ膜层的摩擦过程类似，ＣｒＮ／ＤＬＣ 复合膜在与摩擦副对磨２４ ０００ Ｓ后，摩擦因数开始剧烈波动，这一过程大约经历了１４ ０００ Ｓ，到３８ ０００ Ｓ 以后，摩擦因数又趋于稳定。 图７和图８可以看出，ＣｒＮ薄膜表面磨损严重，磨痕最宽（约１ ５００ ｇｍ），也最深（约４．２ ｇｍ），磨损率 为１．１×１０ ｍ ／（Ｎ・ｍ），这是由于ＣｒＮ膜层存在较多大颗粒和空洞缺陷，耐磨性较差，在磨损过程中产生 大量的磨屑，在磨痕中心区域处接触应力最大，磨屑不易排出并受到反复碾压，加速膜层磨损，磨痕内 布满了大量明显的犁沟。ＤＬＣ薄膜磨损程度最轻，膜痕宽度约３００ ｇｍ，深度约３ ｇｍ，磨损率为１．４× ｌ０ ｍ３／ ．ｍ），与ＣｒＮ膜层相比，磨损率几乎低了一个数量级，说明ＤＬＣ薄膜具有很好的耐磨减摩作用。 但是也要看到，在经过长达７２０ ｍｉｎ的磨损试验后，磨痕的深度约为３ ｇｍ，接近ＤＬＣ膜层的总厚度， 说明膜层几乎就要磨穿，对基体的保护作用有限。综合来看，ＣｒＮ／ＤＬＣ复合膜的耐磨损性能最好，磨痕 宽度约５００ ｇｍ，磨痕深度约３ ｇｍ，磨损率为１．８×１０ ｍ ／ ・ｍ），与ＤＬＣ膜层相当，明显优于ＣｒＮ膜层， 另外在经过长达７２０ ｍｉｎ的磨损试验后，虽然顶层的ＤＬＣ膜层已经快要被磨穿，但是ＣｒＮ底层还在， 仍然可以对基体起到很好的保护作用，ＣｒＮ／ＤＬＣ复合膜对改善活塞环与缸套之间的初期磨合作用明显。 ３结论 采用阴极电弧离子镀技术沉积了厚度为１６ ｐｍ左右的ＣｒＮ膜层，然后在ＣｒＮ膜层上采用阴极电弧＋ 磁控溅射＋阳极层离子源复合技术沉积了厚度约３ ｇｍ的ＤＬＣ膜层。两种膜层之间界面明晰，连续一致， 结构致密，膜基结合力大于６０ Ｎ。 ＣｒＮ／ＤＬＣ复合膜的磨损率为１．８×１０ ｍ ／（Ｎ＿ｍ），与ＤＬＣ膜层相当，明显优于ＣｒＮ膜层，比单层 ＣｒＮ和ＤＬＣ具有更好的耐磨损性能。 参考文献： ［１］ 朱华，赵勇．柴油机活塞环磨损的原因及预防［Ｊ］＿润滑与密封，２００６（２）：１８６．１８７，１９１． ［２］ 王师，阎殿然，李莎，等．活塞环表面处理技术的研究现状及发展趋势［Ｊ］．材料保护，２００９，４２（７）：５０ ５２． ［３］ ＶＥＴＴＥＲ Ｊ，ＢＡＲＢＥＺＡＴ Ｇ，ＣＲＵＭＭＥＮＡＵＥＲ Ｊ，ｅｔ ａ１．Ｓｕｒｆａｃｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［ＪＪ．Ｓｕｒｆａｃｅ ａｎｄ Ｃｏａｔｉｎｇｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００５ ２００（５／６）：１９６２－１９６８． ［４］ ＭＥＲＬＯ Ａ Ｍ．Ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｒ￣ｃｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｎ ｔｈｅ ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ 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